基于深度学习的高中物理大单元教学研究

把燕

［摘 要］核心素养的提出促使教师改变固有的教学方式，基于深度学习的大单元教学设计是培养学生核心素养的重要途径。大单元教学理念要求教师系统分析教材内容，依据学科内容的内在联系和逻辑关系重新组织、整合教学内容，最终目的是让学生把碎片化的知识整合为系统的知识体系，完成对知识规律的深度理解，实现所学知识和方法在不同情境之间的迁移应用，提升学生的核心素养。文章结合甘肃地区高中物理大单元教学的现状，阐述如何依据深度学习理论与大单元教学理念开展教学实践，探究能有效促进学生深度学习、培养学生物理学科核心素养的大单元教学策略。

［关键词］深度学习；大单元教学；核心素养

［中图分类号］   G633.7            ［文献标识码］   A          ［文章编号］   1674-6058（2023）24-0064-04

深度学习教学理念要求教师带领学生透过现象看本质，帮助学生深度了解所学知识的内涵，实现知识的融会贯通和灵活运用。大单元教学旨在引导学生结合各知识点间的内在联系构建系统的知识体系，可以有效促进学生的深度学习。大单元教学中的“大”，主要体现在基于“大概念”、“大思维”、“大情境”和“大问题”对教学内容进行重组和设计，引导学生在原有知识的基础上学习新的思想和理论，并能够将新的知识迁移到真实情境中，得出结论解决问题，促使学生进行深度学习，从而有效改变当前物理学习碎片化、功利化的现状，落实物理学科核心素养培养目标。

一、基于深度学习的高中物理大单元教学策略

本文依据深度学习与大单元教学理念，结合具体教学内容和学生实际学习情况，探究基于深度学习的高中物理大单元教学。

（一）聚焦“大概念”组织单元教学内容，唤醒学生深度学习的意识

在高中物理大单元教学中，应聚焦“大概念”，将知识、规律、科学思维方法等具体教学内容依据其内在联系和逻辑结构，结合学生的实际学情进行重组整合，将教学内容由浅入深、层层递进地展现给学生，引导学生逐步构建完整的知识体系，在此基础上进行深入探究，唤醒学生深度学习的意识。聚焦“大概念”设计单元教学内容时可从以下几个方面入手。

1.以学科知识的内在联系和逻辑结构为依据，聚焦“大概念”设计学习主题和具体学习任务，以问题链引导学生对核心内容进行思考，完成知识的学习进阶。

2.基于学生的具体学情，教师结合教学实践经验设计大单元中基于“大概念”的学习层级。

3.依据课程标准和教材，进一步分析并确定“大概念”层级下所涉及的具体教学内容，落实聚焦“大概念”组织单元教学内容的意图。

（二）基于“大思维”提升探究能力，推动深度学习的实现

“大思维”与物理学科核心素养中的科学思维和科学探究相对应，是指认识现象的本质规律的过程中所使用的思维方法和信息处理策略等内容的统称，包括物理建模、推理论证、实验探究等科学方法。大单元教学设计的核心是形成解决问题的“大思维”，即可以在不同情境或者主题下迁移的统一解决问题的思路和科学方法。因此，大单元教学设计应该注重挖掘隐藏在理论知识背后的科学思维方法等“隐性知识”，以引发学生深度思考和探究，让学生形成解决问题的“大思维”，从而有效提升探究能力，推动深度学习的实现。挖掘这些“隐性知识”、促进学生“大思维”发展的具体策略如下：

1.从知识建构、应用知识解决问题、实验探究等视角挖掘“大思维”，并对“大思维”进行系统整理。

2.“大思维”与物理概念、规律等教学内容密切联系。物理“大思维”往往贯穿若干物理概念、规律，因此教师需围绕“大思维”的发展主线，适当做出取舍，要有所侧重，要站在培养学生“大思维”的高度系统规划设计，有效实现大单元教学目标。

3.培养学生“大思维”的过程中会遇到一些碎片化的、神似形不似的思想方法，教师应从“大思维”的角度整合并深刻认识这些思想方法。

（三）联系实际创设“大情境”，激发学生深度学习的热情

大单元教学需要联系实际创设“大情境”，即将学习内容融入与生产生活相贴近的实际情境中，让学生透过情境看到学科知识的本质，让他们亲历知识的产生过程，体会学科概念、命题与理论背后所隐藏的核心素养。因此，“大情境”下的单元教学，不仅使教学与实际生活浑然一体，使教学过程流畅连贯，还激发了学生深度学习的热情，让科学探究更加严谨高效。教师在联系实际创设“大情境”时应符合以下要求：

1.“大情境”应尽可能贴近学生的日常生活，有助于学生形成解决问题的“大思维”，激发学生的学习兴趣。

2.“大情境”应涉及较多知识点，让学生能够基于“大概念”“大思维”提炼出核心问题，再将核心问题构建为具体模型，体会具体情境背后抽象的本质规律，提升学生的高阶思维，促进学生深度学习。

3.“大情境”应以知识迁移与实践运用为目标，通过对真实情境进行简化、提炼，达到培养学生运用知识解决实际问题的能力、提高学生物理学科核心素养的目的。

（四）基于“大情境”聚焦“大問题”，促进深度学习的发展

所谓“大问题”是指直指本质，涵盖教学重难点，具有高水平的、以探究为主的、需要运用“大思维”才能解决的核心问题。“大问题”可以分解为若干具体的子问题，通过各个子问题的解决让课堂教学层层深入，实现沉浸式学习与层进式学习的融合，促进深度学习的发展。“大问题”的设计可从以下方面入手：

1.“大问题”设计应具有激发性和连续推进性。以科学的“问题”作为切入点，组织学生去探讨研究、交流思辨，不仅可以充分激发学生的学习热情，还可以引导教学活动层层推进，带领学生实现思维进阶和深度学习。

2.“大问题”设计应具有互动性和差异性。高效课堂要求以学生为主体，合理地设计问题，不仅可以使师生间产生思维碰撞，帮助学生完成问题探究，还可以兼顾不同学生学科素养的差异，尽可能地让每一个学生都能进行高效的、持续的深度学习。

3.“大问题”设计应具拓展性和创新性。核心素养下，应使课堂回归到科学教育轨道上，对此教师可通过设计问题引导学生反思创新，加强学生的思维训练，使学生开展深度学习。

综上所述，将“大概念”“大思维”“大情境”“大问题”恰到好处地渗透到各个教学环节，能使大单元教学既统揽全局又有序开展，从而有效促进学生进行深度学习，提高学生的核心素养。

二、基于深度学习的高中物理大单元教学设计案例

为了更好地培养学生的核心素养，笔者结合新课标和大单元教学理念，开展基于深度学习的高中物理大单元教学实践，探索高效课堂教学设计和实施策略。结合实际教学效果，笔者选定人教版高中物理必修第二册第八章第四节“机械能守恒定律”为大单元教学设计案例，具体教学过程设计如下。

（一）创设情境，提出问题

真实情境：（1）准备好两杯水，将其中一杯的部分水倒入另一杯中，问学生有什么规律。（2）做游戏：让一名学生上讲台演示，先用一细绳拴住一钢球，将钢球拉到该生的鼻尖位置，然后释放钢球，观察该生的反应（见图1）。

问题设计：你们观察到了什么现象？你们感受到能量了吗？可以得出一个什么结论？能量在转化过程中总量都是不变的吗？

设计意图：创设真实情境，引导学生感受能量及能量转化，并通过类比倒水过程中水杯里的水此消彼长，建立能量转化观念，提出自然界守恒“大概念”，引入追寻守恒量的“大问题”。

（二）建立模型，科學探究

1.回顾历史，追寻守恒量

伽利略在研究小球在光滑斜面上的运动时，发现无论是斜面A的倾角和斜面B的倾角哪个大（见图2），在斜面上某处静止释放小球后，小球的速度最后总会在高度相同的那个地方变为零。

问题设计：通过分析系统的起始状态和末了状态，你发现有哪些物理量是变化的？哪些是不变的？生活中还有哪些能量转化的例子？这些不变量在其他案例中是否具有普遍性？

设计意图：通过问题引导学生联想生活情境，讨论能量转化中的不变量是否具有普遍性，并做出猜想，使学生形成解决问题的“大思维”。

2.联系真实情境，建立模型

学生活动：学生先列举生活中动能和重力势能的转化实例以及动能和弹性势能的转化实例，例如下落的果子、过山车、荡秋千、蹦极等，然后将自己联想的实际情境理想化处理并自主构建模型，最后完成导学案（见图3）中分组探究1的任务。

问题设计：你们所列举的案例中有哪些能量转化？有哪些力做功？怎样衡量能量的大小？

设计意图：让学生体会解决问题的科学方法，通过问题引导学生联系生活创设动能和势能转化的“大情境”，并简化真实情境建立模型，深度思考能量的定量计算方法，为机械能守恒定律的建立提供情境模型和思想方法。

3.建立概念，探究论证

合作探究：在学生建立模型后，为了让学生更好地探究动能和势能转化过程的不变量，教师与学生积极互动，建立机械能的概念，讨论机械能的特点，即机械能是标量；机械能的大小是相对的；机械能具有系统性。依据机械能的概念，结合已建立的理想模型，通过功能关系寻找规律，并完成导学案中分组探究2的任务。

问题设计：在动能和势能转化的过程中，大家猜想的那个不变量（总量）叫什么？机械能有什么特点呢？利用功能关系如何验证守恒猜想？

设计意图：让学生体会建立概念的必要性，通过问题引导学生利用模型和所学知识推导机械能关系，理解机械能守恒定律，培养学生的探究能力。

4.结合实境，拓展延伸

真实情境：一个小球在真空中做自由落体运动，另一个同样的小球在黏性较大的液体中由静止开始下落（见图4），它们都由高度为h1的地方下落到高度为h2的地方。讨论能量转化情况，并总结机械能守恒的条件，即只有重力做功或弹力做功的系统。

问题设计：在这两种情况下，重力势能的减少量相等吗？动能的增加量相等吗？两种情况下重力势能分别转化为什么形式的能？机械能还守恒吗？研究机械能守恒还有意义吗？

设计意图：引导学生总结机械能守恒的条件，借助问题启发学生通过真实情境拓展能量体系，促使学生深度学习，深度思考能量转化的规律，形成守恒“大概念”。

5.初步构建能量体系，落实大单元教学理念

讨论交流：列举生活中不同形式能量（见图5）的转化情境，讨论能量是否守恒。

问题设计：其他不同形式的能量可以转化吗？转化过程中总量守恒吗？

设计意图：通过其他形式能量转化的拓展，启发学生对能量守恒进行思考，从而认识自然界的多样性与统一性。

（三）总结归纳，实际应用

实际情境：荡秋千（见图6）时，在没有人推且荡秋千的人不动时，秋千摆动的幅度会逐渐变小。

问题设计：（1）秋千和人组成的系统能看成单摆模型吗？秋千摆动过程中为什么摆幅会变小？秋千摆动过程中对应的能量转化情况是怎样的？机械能守恒吗？能量守恒吗？

（2）如果阻力可以忽略，秋千和人组成的系统机械能守恒吗？

在（2）中所描述的情况下，已知秋千的绳长为L，秋千摆动的最大偏角为θ，则秋千摆动到最低位置时的速度是多大？

设计意图：引导学生运用能量守恒定律分析生活中的一些实际问题，并让学生依据核心问题忽略次要因素构建物理模型，结合物理模型运用机械能守恒定律解决问题，体会机械能守恒定律的优越性并感悟能量守恒。通过实际应用也让学生回顾本节课的探究过程，形成解决实际问题的“大思维”，培养物理学科核心素养。

三、教学反思

通过本次教学研究和实践，笔者发现“基于深度学习的物理大单元教学”是一种十分符合核心素养理念的教学方式。通过内在联系和逻辑关系整合单元教学内容，不仅能让学生掌握完整的、系统的学科知识，还能促进学生进行深度学习，提升学生解决问题的能力。为此，教师应进行基于深度学习的大单元教学的具体设计，从而有效提高教学质量和培养学生的核心素养。

［   参   考   文   献   ］

［1］  张玉峰.以大概念、大思路、大情境和大问题统领物理单元教学设计［J］.中学物理，2020（5）：2-7.

［2］  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］  人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书 物理 必修 第二册［M］.北京：人民教育出版社，2020.